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摘要：介绍了流水发电的基本原理和关键技术，对国内外流水发电的研究进展进行了评述，分析了今后流水发电技术的发展趋势。流水发电作为一种最新的可再生新能源利用技术，具有很好的发展前景。
关键词：流水发电;可再生能源;水轮机
引言
社会发展对能源的需求和环境的保护，是一项长期甚至永久的课题。本世纪以来，人类对常规能源的消费增加了十倍以上，同时矿物能源在燃烧过程中释放了大量烟尘、二氧化硫和其它有害物质，造成大气和环境的严重污染。因此，如何开发和利用清洁环保的可再生资源，将具有十分重要的意义。在众多的可再生能源中开发利用最早的是水能，但传统的各类水电站，几乎都需要建立各种大小水坝，利用水头以形成势能来推动水轮机旋转而发电，更是相对耗能的设备，据统计其耗能约占全国能源消耗总量的23%[1]。长江支流的上游水能资源丰富，拥有中国水电能够利用的大量水利资源，从长远发展情况来看，中国水电开发的未来主要集中在长江上游以及西南地区河流[2]。水流动能是广泛存在于河流和海洋中的可再生清洁能源。流水发电是一种新型的水流动能利用技术，直接利用昼夜流淌的水流冲击水轮机，将水流动能转换为机械能，再通过能量的二次转换形成电能，可解决沿江一带居民家庭、无动力小船以及航标灯等的用电[3]。流水发电于1989年提出[4]在经历了从原理性研究到试验性阶段，如今已经成为一种切实可行的新能源技术，取得了良好的经济效益和环保效益，有很好的发展前景。本文将介绍流水发电技术的基本知识和世界流水发电的发展情况。
1 流水发电技术的基本原理和关键技术
水流动能是一种广泛存在于河流和海洋中的水的能量储存形式，源于河流的上下游落差或是太阳和月球的引力，与波浪能、潮汐能、太阳能和风能一样，属于一种可开发利用的清洁自然能源。将水流动能转变为电能，就需要在河流和海上建立流水发电站。流水发电站不需像传统水电站那样建坝，也不影响航运。流水发电技术适应低流速，能以低速启动并且输出大扭矩，具有运行稳定、可靠、高效的特点，是集船舶与海洋、机械加工、自动控制与电力等工程领域的先进技术于一体的高新科技产品，是当前有待重点研究和开发的新能源技术之一[5]。
传统的用于水库的水力发电机组，水轮机是通过压力差推动叶片转动的。与传统水轮机不同，流水发电水轮机的基本原理是：利用河流、海洋中相对固定流向的水流的冲击力冲击叶轮，使流水发电装置的叶轮旋转，从而驱动发电机发电。能量变换装置多采用将水流动能变换为旋转能的方式。流水发电机组是一种低水头的水轮机，其输出电能的大小取决于流水速度的快慢。
目前流水发电水轮机分为水平轴和垂直轴两类。水平轴水轮机（也称轴流式水轮机）的旋转轴方向與水流方向平行，其发电功率大小受水流方向影响较大，一般需要安装尾翼才能充分利用流水携带的能量提高发电输出功率，叶片的个数、间距的变化也会影响水轮机的性能。垂直轴水轮机的旋转轴方向与水流方向垂直，根据旋转轴与水平面所成的夹角不同又可分为横轴和竖轴两种：横轴水轮机的旋转轴与水平面平行，叶片获得的能量大小与来流方向有关，因此也要有偏航调节系统;竖轴水轮机的旋转轴与水平面垂直，叶片获得的能量大小不受水流方向的影响不需要偏航调节系统，而且旋转轴还可以直接将扭矩输出，因此应用得更多。-
与传统水轮机组相比，流水发电水轮机的效率很低，为了提高机组效率通常带有一种辅助结构导流罩，导流罩不仅可以增加水流动能能量转换和水轮机输出功率，还可以减少水生生物对设备的影响。导流罩的原理与扩散器相似，就是利用壁面型线对流场的干扰，增大流体入口和出口的压强差，让更多的流水进入罩内，提高罩内的流水流速。将水轮机置于导流罩内部，就相当于增大了来流速度，从而提高水轮机功率，增大输出电能。阿根廷的ISEP小组最早提出在垂直轴水轮机加装导流罩方法，此方法使转子附近水域的流速增大，在相同输出功率的情况下，转轴的尺寸变小，从而使传动装置的尺寸减小，进而降低成本。
流水发电机组的发电机可以是同步发电机也可以是异步发电机，其中同步发电需要恒定的和较高的转速，但是流水发电水轮机输出一般转速较低，所以必须增设变速装置，导致传动能量的损耗降低了机组的发电效率。异步发电机对转速的要求较低，可以用水轮机直接驱动，不仅可以减少传动损失提高发电效率，还可以简化机组的结构，因此更适应流水发电低速旋转的特点。
由于水能的密度远远大于风能，所以流水发电机组的固定装置将承受更大载荷力矩才能保证整个系统的稳定，因此对固定方式有相当的要求。目前固定方式采用较多的有漂浮式、系泊式、基桩式和重力式等，每种固定方式各有自优缺点，必须根据项目的环境选择。漂浮式的机组采用船体承载，比较适合容量较小的机组固定，比较灵活;系泊式采用绳索把机组固定在海底，操作方便但不够安全;基桩式固定需要打桩，占地面积小，但是强度不大，不适应环境恶劣的区域;重力式有很好的强度，适合较恶劣的环境，但是占地面积大。2002年建成了由哈尔滨工程大学研发的70kW漂浮式潮流电站“万向I”是我国第一座漂浮式潮流电站，总体技术水平达到了世界先进水平。在总体设计中，系泊系统的设计分析是潮流电站开发的重点和难点之一。
流水发电系统在水下运行，因此在实际运行时还会遇到很多风力发电不会有的问题。例如转速较快时机组会产生严重的空蚀现象，影响水轮机叶片使用寿命。震动使水轮机产生疲劳破坏，影响机械整体结构的稳定性。密封问题一直是水力机械方面的关键技术难点，在流水发电技术中尤为重要。另外，置于水中的流水发电系统在防腐除噪、减少水生微生物的生态破坏和周围环境污染等方面还遇到很多困难，需要进一步加以解决。
最初的流水发电技术都借鉴风力发电和船舶螺旋桨等技术，水轮机动力特性的预测、流水发电的设计和机械结构的优化，也大多在这个基础上通过模型试验和数值试验相结合完成。叶片是水轮机的核心部件，叶片截面多选用机翼型，力学参数可以从已有的相关机翼数据手册中查阅。以后流水发电根据本身的特点开始研发专用的结构，叶片的研发另行采用模型试验测定，或者利用流体力学相关知识进行求解。 2 国内外流水发电技术的研究进展
2.1 国内外潮流发电技术的发展动态
潮流发电技术的研究开始于20世纪70年代中期，最初主要进行了理论研究、潮流能资源评估和经济可行性分析等相关基础性工作。随着研究工作的深入，潮流发电作为一种有发展潜力的新的可再生能源利用技术逐步得到了一些国家的重视，其中包括欧洲的英国、挪威等，北美的加拿大、美国等，亚洲的日本、韩国等。我国潮流开发利用项目基本都在100千瓦内，大部分为国家资助项目，较少企业参与，潮流能技术还有较大发展空间。
与流水发电装置原理相类似，目前国外的潮流发电装置在技术上相对比较成熟，主要包括轴流式、混流式、振荡水翼式和套管式等等。轴流式水轮机采用水流方向平行于旋转轴的方式，利用水流驱动叶轮进行旋转从而发电。由于海水的流动会随着时间或者尺度上发生随机的变化，所以目前研究的至关重要的问题是怎样提高海流能源的捕获效率，以及如何进一步提升发电的电能质量。如英国MCT（Marine Current Turbines）公司2008年5月制造的世界上首台商用潮流能发电装置1.2MW级“SeaGen”如图1所示。混流式水轮机轴的安装方向与水流方向垂直，如意大利Ponte di Archimede 公司设计的三叶片Kobold水轮机，水轮机转向与水流方向无关如图2所示。振荡水翼式通过震荡悬臂驱动高压液体流动而带动高压液流系统中的涡轮机发电，因其可在相对较浅的海域运行，因此预期的应用领域更广。这一技术的主要代表包括英国的脉动生能（Pulse Generation）公司如图3所示，以及澳大利亚的生物电力（Bio Power）公司如图4所示研制的产品。套管式装置相当于在横轴或纵轴叶轮的外部增加一个文丘里管，使通过涡轮的水流能量更加集中，驱动转换效率更高。这一技术的主要代表有英国月能（Lunar Energy）公司的RTT（the Rotech Tidal Turbine）技术，对60度范围内水流具有很好的增速作用，其对称性能满足潮流双向流的要求，结构如图5所示。
图1 MCT公司的SeaGen潮流发电机组
图2 Ponte di Archimede公司的Kobold水轮机
图3 Pulse Generation公司的振荡水翼机组
图4 Bio Power公司的振荡水翼机组
图5 月能公司的RTT潮流发电机组 图6 浙江大学的“水下风车”
2.2 国内水平轴流水发电装置
利用海流能量的水下发电装置是一种新型能源机械及控制系统，在我国沿海地区，浙江省的附近海域蕴藏着巨大的海流能能源，其中舟山地区的岛屿相对较多，以此可利用這些岛屿地区形成的水下海流能发电厂进行发电。进一步研制和发展适用于水面下的水力机械可为减缓能源消耗过快问题、开发沿海及其周边岛屿的经济开辟出一条新道路。
由于海水的流动会随着时间或者尺度上发生随机的变化，所以目前研究的至关重要的问题是怎样提高海流能源的捕获效率，以及如何进一步提升发电的电能质量。浙江大学于2006年首先研制出5kW级的水平轴式海流能发电装置。其后浙江大学将25kW海流能发电设备作为研究对象，分析了其信号的数值模型。为了能够对最大能量进行跟踪，并进一步提升所发电能的质量，提出了以发电机转矩的调节来控制发电装置叶轮的旋转速度;为了解决海水流速测量的滞后性和随机性问题，提出了利用间接的转速控制方式来实现最优的转速-转矩曲线模拟与跟踪。通过仿真研究、模型试验等方法验证了其分析策略和控制方式是合理的，并且可以为实物样机设计和改进提供研究基础。该潮汐发电装置采用沉底式安装方法，要求洋流流速在2m/s以上，叶轮半径为1m的“水下风车"如图6所示就能开始发电，而样机的设计额定功率为5kW。
2.3 国内垂直轴流水发电装置
对于垂直轴水流发电装置的研究主要集中在叶片的选型与优化。有部分研究通过分析在同一叶尖速比的情况下，参考水流能发电装置在不同流速下的运行情况，来选择和验证叶片的参数及尺度。通过深入分析不同叶片线性及其安装方式、参数，水流能发电装置的内部流场和整机的水动力参数，得到的结果表明：当处在相同的工作工况时，使用相同的叶轮翼型、直线形叶轮的水流能发电装置的发电功率明显小于相同尺寸的螺旋形叶轮的水流能发电装置的发电功率。而且后者的运行稳定性比前者的运行稳定性更好。
水流能发电装置的发电功率会因使用叶片翼型的不同，水力叶片的水力性能不一而产生比较明显的差异。通过研究水流能发电装置内部流场情况，发现了垂直轴水流能发电装置内部和它的周围会产生较为复杂的，一定规模的漩涡运动。其次，水流的流速，水流能发电装置的叶片布置方式对其流动特性有着重要的影响。利用流体仿真软件，对H型垂直轴水流发电机在不同水速情况下的功率、转矩可以较准确地进行模拟，并对水流发电机附近的流场、空化性能、升阻力性能进行分析。
目前，专用的海流能发电装置一般参考水平轴式风力发电机的设计，而海潮式发电机则通常类比垂直轴的风力发电机进行设计，旋转叶轮每个叶片的翼型一般直接选用飞机机翼的翼型参数进行设计。美国佛罗里达州的项目试验利用海湾的海流能用于发电，佛罗里达大西洋大学正在开发水下能源场，利用强劲的海流推动涡轮发电。涡轮叶片置于海流之中，被推动而发电，与风力涡轮相似。海流一般比空气的流动要慢许多，但海水的密度是空气密度的800～900倍。该项目计划将在佛罗里达州东南海床40m处设置5台海流涡轮，这里的海流强劲而可靠。在对海流或者海潮发电机进行设计时，类似的会出现风力发电机设计时遇到的问题，包括机械振动、旋转叶轮如何在低速度下启动，如何提高发电效率等，同时由于发电装置工作于高压力的水下，自然会产生大量新的问题。由于水流能发电装置直接工作于平流水域，与其他传统的水轮机不同，工作流域水流流速较低，从而使叶轮内部的流场非常复杂，雷诺数处在紊流和层流转换的过渡阶段，所以水流能发电装置的发电效率较低。其次由于装置本身的特性，不能很好的安装其他常规水轮机前置的导流部件，所以其周围流场的流动可控制能力也较弱，长期运行时的稳定性和可靠性也是关键的工程难题。 3 流水发电技术的发展趋势
随着常规能源的急剧消耗，电力需求又不断增加，急需建造更多的发电站提供给用户使用。就目前形势来说，流水发电技术有两种发展趋势：
（1）向商业化大型电站发展 重点开展兆级以上容量的半商业化流水发电试验电站建设，对海底施工、海洋生态与航运工程以及安装维修等技术难点进行研究，解决目前存在的工程困难。同时加强国际合作交流，缩短产业化进程。
（2）向实用化小型电站发展 设计开发新型的流水发电水轮机，提高水轮机获能效率的前提下，将技术实用化，满足近海周边村落的日常用电需求，为海上航标灯照明和驻岛守卫储电等提供相关设备。
4 结语
流水发电技术作为近些年迅速发展的新能源技术之一，有着广阔的应用前景和巨大的环保效益，同时也存在着许多亟待解决的问题。
为促进海洋能的大规模开发，加速我国流水发电技术向商业化发展的步伐，建议再进一步宣传海洋能，让更多的人认识和了解海洋能的同时，紧紧围绕国际上潮流能开发的重点领域展开突破，并从技术层面上完善流水发电的设计方法、提高水轮机性能、扩大单机容量、电力并网技术、多能互补联网运行、电站群体化技术及在急流和强风浪下，水轮机、载体、锚泊系统的运行可靠性、安全性等方面展开深入研究。
参考文献：
[1]李传统.新能源与可再生能源技术[M].南京：东南大学出版社，2005.
[2]文伏波，钮新.长江流域水电建设与可持续发展[J].水电工程，2005，（2）：144-148.
[3]汤忠谷，萧先镛，朱曙，余培明.流水发电装置水动力性能的实验研究[J].湖北工学院学报，1993，8（2-3）：10-13.
[4]朱曙.一种新型的能源装置——流水发电[J].船电技术，1989，5：14-16.
[5]寇薇，苑宾.新型垂直轴风力发电机的初步研究与设计[c].2009年全国电工理论与新技术学术年会论文集，2009，351-354.
作者簡介：
沈家同（1952—），男，重庆同利实业有限公司总经理、总工程师，高级工程师，研究方向：装备制造。
通讯作者：
王蓓果（1984—），女，重庆同利实业有限公司研发工程师，中级工程师，研究方向：资源能源综合开发与利用。
基金项目：重庆市应用开发计划项目（cstc2013yykfA90001）
关键词：流水发电;可再生能源;水轮机
引言
社会发展对能源的需求和环境的保护，是一项长期甚至永久的课题。本世纪以来，人类对常规能源的消费增加了十倍以上，同时矿物能源在燃烧过程中释放了大量烟尘、二氧化硫和其它有害物质，造成大气和环境的严重污染。因此，如何开发和利用清洁环保的可再生资源，将具有十分重要的意义。在众多的可再生能源中开发利用最早的是水能，但传统的各类水电站，几乎都需要建立各种大小水坝，利用水头以形成势能来推动水轮机旋转而发电，更是相对耗能的设备，据统计其耗能约占全国能源消耗总量的23%[1]。长江支流的上游水能资源丰富，拥有中国水电能够利用的大量水利资源，从长远发展情况来看，中国水电开发的未来主要集中在长江上游以及西南地区河流[2]。水流动能是广泛存在于河流和海洋中的可再生清洁能源。流水发电是一种新型的水流动能利用技术，直接利用昼夜流淌的水流冲击水轮机，将水流动能转换为机械能，再通过能量的二次转换形成电能，可解决沿江一带居民家庭、无动力小船以及航标灯等的用电[3]。流水发电于1989年提出[4]在经历了从原理性研究到试验性阶段，如今已经成为一种切实可行的新能源技术，取得了良好的经济效益和环保效益，有很好的发展前景。本文将介绍流水发电技术的基本知识和世界流水发电的发展情况。
1 流水发电技术的基本原理和关键技术
水流动能是一种广泛存在于河流和海洋中的水的能量储存形式，源于河流的上下游落差或是太阳和月球的引力，与波浪能、潮汐能、太阳能和风能一样，属于一种可开发利用的清洁自然能源。将水流动能转变为电能，就需要在河流和海上建立流水发电站。流水发电站不需像传统水电站那样建坝，也不影响航运。流水发电技术适应低流速，能以低速启动并且输出大扭矩，具有运行稳定、可靠、高效的特点，是集船舶与海洋、机械加工、自动控制与电力等工程领域的先进技术于一体的高新科技产品，是当前有待重点研究和开发的新能源技术之一[5]。
传统的用于水库的水力发电机组，水轮机是通过压力差推动叶片转动的。与传统水轮机不同，流水发电水轮机的基本原理是：利用河流、海洋中相对固定流向的水流的冲击力冲击叶轮，使流水发电装置的叶轮旋转，从而驱动发电机发电。能量变换装置多采用将水流动能变换为旋转能的方式。流水发电机组是一种低水头的水轮机，其输出电能的大小取决于流水速度的快慢。
目前流水发电水轮机分为水平轴和垂直轴两类。水平轴水轮机（也称轴流式水轮机）的旋转轴方向與水流方向平行，其发电功率大小受水流方向影响较大，一般需要安装尾翼才能充分利用流水携带的能量提高发电输出功率，叶片的个数、间距的变化也会影响水轮机的性能。垂直轴水轮机的旋转轴方向与水流方向垂直，根据旋转轴与水平面所成的夹角不同又可分为横轴和竖轴两种：横轴水轮机的旋转轴与水平面平行，叶片获得的能量大小与来流方向有关，因此也要有偏航调节系统;竖轴水轮机的旋转轴与水平面垂直，叶片获得的能量大小不受水流方向的影响不需要偏航调节系统，而且旋转轴还可以直接将扭矩输出，因此应用得更多。-
与传统水轮机组相比，流水发电水轮机的效率很低，为了提高机组效率通常带有一种辅助结构导流罩，导流罩不仅可以增加水流动能能量转换和水轮机输出功率，还可以减少水生生物对设备的影响。导流罩的原理与扩散器相似，就是利用壁面型线对流场的干扰，增大流体入口和出口的压强差，让更多的流水进入罩内，提高罩内的流水流速。将水轮机置于导流罩内部，就相当于增大了来流速度，从而提高水轮机功率，增大输出电能。阿根廷的ISEP小组最早提出在垂直轴水轮机加装导流罩方法，此方法使转子附近水域的流速增大，在相同输出功率的情况下，转轴的尺寸变小，从而使传动装置的尺寸减小，进而降低成本。
流水发电机组的发电机可以是同步发电机也可以是异步发电机，其中同步发电需要恒定的和较高的转速，但是流水发电水轮机输出一般转速较低，所以必须增设变速装置，导致传动能量的损耗降低了机组的发电效率。异步发电机对转速的要求较低，可以用水轮机直接驱动，不仅可以减少传动损失提高发电效率，还可以简化机组的结构，因此更适应流水发电低速旋转的特点。
由于水能的密度远远大于风能，所以流水发电机组的固定装置将承受更大载荷力矩才能保证整个系统的稳定，因此对固定方式有相当的要求。目前固定方式采用较多的有漂浮式、系泊式、基桩式和重力式等，每种固定方式各有自优缺点，必须根据项目的环境选择。漂浮式的机组采用船体承载，比较适合容量较小的机组固定，比较灵活;系泊式采用绳索把机组固定在海底，操作方便但不够安全;基桩式固定需要打桩，占地面积小，但是强度不大，不适应环境恶劣的区域;重力式有很好的强度，适合较恶劣的环境，但是占地面积大。2002年建成了由哈尔滨工程大学研发的70kW漂浮式潮流电站“万向I”是我国第一座漂浮式潮流电站，总体技术水平达到了世界先进水平。在总体设计中，系泊系统的设计分析是潮流电站开发的重点和难点之一。
流水发电系统在水下运行，因此在实际运行时还会遇到很多风力发电不会有的问题。例如转速较快时机组会产生严重的空蚀现象，影响水轮机叶片使用寿命。震动使水轮机产生疲劳破坏，影响机械整体结构的稳定性。密封问题一直是水力机械方面的关键技术难点，在流水发电技术中尤为重要。另外，置于水中的流水发电系统在防腐除噪、减少水生微生物的生态破坏和周围环境污染等方面还遇到很多困难，需要进一步加以解决。
最初的流水发电技术都借鉴风力发电和船舶螺旋桨等技术，水轮机动力特性的预测、流水发电的设计和机械结构的优化，也大多在这个基础上通过模型试验和数值试验相结合完成。叶片是水轮机的核心部件，叶片截面多选用机翼型，力学参数可以从已有的相关机翼数据手册中查阅。以后流水发电根据本身的特点开始研发专用的结构，叶片的研发另行采用模型试验测定，或者利用流体力学相关知识进行求解。 2 国内外流水发电技术的研究进展
2.1 国内外潮流发电技术的发展动态
潮流发电技术的研究开始于20世纪70年代中期，最初主要进行了理论研究、潮流能资源评估和经济可行性分析等相关基础性工作。随着研究工作的深入，潮流发电作为一种有发展潜力的新的可再生能源利用技术逐步得到了一些国家的重视，其中包括欧洲的英国、挪威等，北美的加拿大、美国等，亚洲的日本、韩国等。我国潮流开发利用项目基本都在100千瓦内，大部分为国家资助项目，较少企业参与，潮流能技术还有较大发展空间。
与流水发电装置原理相类似，目前国外的潮流发电装置在技术上相对比较成熟，主要包括轴流式、混流式、振荡水翼式和套管式等等。轴流式水轮机采用水流方向平行于旋转轴的方式，利用水流驱动叶轮进行旋转从而发电。由于海水的流动会随着时间或者尺度上发生随机的变化，所以目前研究的至关重要的问题是怎样提高海流能源的捕获效率，以及如何进一步提升发电的电能质量。如英国MCT（Marine Current Turbines）公司2008年5月制造的世界上首台商用潮流能发电装置1.2MW级“SeaGen”如图1所示。混流式水轮机轴的安装方向与水流方向垂直，如意大利Ponte di Archimede 公司设计的三叶片Kobold水轮机，水轮机转向与水流方向无关如图2所示。振荡水翼式通过震荡悬臂驱动高压液体流动而带动高压液流系统中的涡轮机发电，因其可在相对较浅的海域运行，因此预期的应用领域更广。这一技术的主要代表包括英国的脉动生能（Pulse Generation）公司如图3所示，以及澳大利亚的生物电力（Bio Power）公司如图4所示研制的产品。套管式装置相当于在横轴或纵轴叶轮的外部增加一个文丘里管，使通过涡轮的水流能量更加集中，驱动转换效率更高。这一技术的主要代表有英国月能（Lunar Energy）公司的RTT（the Rotech Tidal Turbine）技术，对60度范围内水流具有很好的增速作用，其对称性能满足潮流双向流的要求，结构如图5所示。
图1 MCT公司的SeaGen潮流发电机组
图2 Ponte di Archimede公司的Kobold水轮机
图3 Pulse Generation公司的振荡水翼机组
图4 Bio Power公司的振荡水翼机组
图5 月能公司的RTT潮流发电机组 图6 浙江大学的“水下风车”
2.2 国内水平轴流水发电装置
利用海流能量的水下发电装置是一种新型能源机械及控制系统，在我国沿海地区，浙江省的附近海域蕴藏着巨大的海流能能源，其中舟山地区的岛屿相对较多，以此可利用這些岛屿地区形成的水下海流能发电厂进行发电。进一步研制和发展适用于水面下的水力机械可为减缓能源消耗过快问题、开发沿海及其周边岛屿的经济开辟出一条新道路。
由于海水的流动会随着时间或者尺度上发生随机的变化，所以目前研究的至关重要的问题是怎样提高海流能源的捕获效率，以及如何进一步提升发电的电能质量。浙江大学于2006年首先研制出5kW级的水平轴式海流能发电装置。其后浙江大学将25kW海流能发电设备作为研究对象，分析了其信号的数值模型。为了能够对最大能量进行跟踪，并进一步提升所发电能的质量，提出了以发电机转矩的调节来控制发电装置叶轮的旋转速度;为了解决海水流速测量的滞后性和随机性问题，提出了利用间接的转速控制方式来实现最优的转速-转矩曲线模拟与跟踪。通过仿真研究、模型试验等方法验证了其分析策略和控制方式是合理的，并且可以为实物样机设计和改进提供研究基础。该潮汐发电装置采用沉底式安装方法，要求洋流流速在2m/s以上，叶轮半径为1m的“水下风车"如图6所示就能开始发电，而样机的设计额定功率为5kW。
2.3 国内垂直轴流水发电装置
对于垂直轴水流发电装置的研究主要集中在叶片的选型与优化。有部分研究通过分析在同一叶尖速比的情况下，参考水流能发电装置在不同流速下的运行情况，来选择和验证叶片的参数及尺度。通过深入分析不同叶片线性及其安装方式、参数，水流能发电装置的内部流场和整机的水动力参数，得到的结果表明：当处在相同的工作工况时，使用相同的叶轮翼型、直线形叶轮的水流能发电装置的发电功率明显小于相同尺寸的螺旋形叶轮的水流能发电装置的发电功率。而且后者的运行稳定性比前者的运行稳定性更好。
水流能发电装置的发电功率会因使用叶片翼型的不同，水力叶片的水力性能不一而产生比较明显的差异。通过研究水流能发电装置内部流场情况，发现了垂直轴水流能发电装置内部和它的周围会产生较为复杂的，一定规模的漩涡运动。其次，水流的流速，水流能发电装置的叶片布置方式对其流动特性有着重要的影响。利用流体仿真软件，对H型垂直轴水流发电机在不同水速情况下的功率、转矩可以较准确地进行模拟，并对水流发电机附近的流场、空化性能、升阻力性能进行分析。
目前，专用的海流能发电装置一般参考水平轴式风力发电机的设计，而海潮式发电机则通常类比垂直轴的风力发电机进行设计，旋转叶轮每个叶片的翼型一般直接选用飞机机翼的翼型参数进行设计。美国佛罗里达州的项目试验利用海湾的海流能用于发电，佛罗里达大西洋大学正在开发水下能源场，利用强劲的海流推动涡轮发电。涡轮叶片置于海流之中，被推动而发电，与风力涡轮相似。海流一般比空气的流动要慢许多，但海水的密度是空气密度的800～900倍。该项目计划将在佛罗里达州东南海床40m处设置5台海流涡轮，这里的海流强劲而可靠。在对海流或者海潮发电机进行设计时，类似的会出现风力发电机设计时遇到的问题，包括机械振动、旋转叶轮如何在低速度下启动，如何提高发电效率等，同时由于发电装置工作于高压力的水下，自然会产生大量新的问题。由于水流能发电装置直接工作于平流水域，与其他传统的水轮机不同，工作流域水流流速较低，从而使叶轮内部的流场非常复杂，雷诺数处在紊流和层流转换的过渡阶段，所以水流能发电装置的发电效率较低。其次由于装置本身的特性，不能很好的安装其他常规水轮机前置的导流部件，所以其周围流场的流动可控制能力也较弱，长期运行时的稳定性和可靠性也是关键的工程难题。 3 流水发电技术的发展趋势
随着常规能源的急剧消耗，电力需求又不断增加，急需建造更多的发电站提供给用户使用。就目前形势来说，流水发电技术有两种发展趋势：
（1）向商业化大型电站发展 重点开展兆级以上容量的半商业化流水发电试验电站建设，对海底施工、海洋生态与航运工程以及安装维修等技术难点进行研究，解决目前存在的工程困难。同时加强国际合作交流，缩短产业化进程。
（2）向实用化小型电站发展 设计开发新型的流水发电水轮机，提高水轮机获能效率的前提下，将技术实用化，满足近海周边村落的日常用电需求，为海上航标灯照明和驻岛守卫储电等提供相关设备。
4 结语
流水发电技术作为近些年迅速发展的新能源技术之一，有着广阔的应用前景和巨大的环保效益，同时也存在着许多亟待解决的问题。
为促进海洋能的大规模开发，加速我国流水发电技术向商业化发展的步伐，建议再进一步宣传海洋能，让更多的人认识和了解海洋能的同时，紧紧围绕国际上潮流能开发的重点领域展开突破，并从技术层面上完善流水发电的设计方法、提高水轮机性能、扩大单机容量、电力并网技术、多能互补联网运行、电站群体化技术及在急流和强风浪下，水轮机、载体、锚泊系统的运行可靠性、安全性等方面展开深入研究。
参考文献：
[1]李传统.新能源与可再生能源技术[M].南京：东南大学出版社，2005.
[2]文伏波，钮新.长江流域水电建设与可持续发展[J].水电工程，2005，（2）：144-148.
[3]汤忠谷，萧先镛，朱曙，余培明.流水发电装置水动力性能的实验研究[J].湖北工学院学报，1993，8（2-3）：10-13.
[4]朱曙.一种新型的能源装置——流水发电[J].船电技术，1989，5：14-16.
[5]寇薇，苑宾.新型垂直轴风力发电机的初步研究与设计[c].2009年全国电工理论与新技术学术年会论文集，2009，351-354.
作者簡介：
沈家同（1952—），男，重庆同利实业有限公司总经理、总工程师，高级工程师，研究方向：装备制造。
通讯作者：
王蓓果（1984—），女，重庆同利实业有限公司研发工程师，中级工程师，研究方向：资源能源综合开发与利用。
基金项目：重庆市应用开发计划项目（cstc2013yykfA90001）